摘要：兩親性多肽分子具有類(lèi)似天然磷脂分子的兩親特性、 豐富的分子結(jié)構(gòu)、 獨(dú)特新穎的組裝體結(jié)構(gòu)以及特殊的生物學(xué)功能, 是多肽自組裝研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域. 本文總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于兩親性多肽自組裝研究及應(yīng)用的進(jìn)展, 介紹了幾種常見(jiàn)的兩親性多肽, 并進(jìn)一步闡述其分子結(jié)構(gòu)特征、 組裝行為和機(jī)理、 組裝體結(jié)構(gòu)和功能以及在納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用.
多肽自組裝廣泛存在于生命體中, 是眾多生命活動(dòng)和生物學(xué)功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ). 自組裝是多肽分子與生俱來(lái)的能力, 具有特定氨基酸序列的多肽可以組裝形成具有特定空間結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子. 而多肽及蛋白的錯(cuò)誤組裝不僅會(huì)造成生物學(xué)功能的喪失或改變, 而且會(huì)產(chǎn)生一系列的病理反應(yīng). 因此, 對(duì)多肽分子的自組裝研究不僅有利于深入了解生命現(xiàn)象, 而且對(duì)于許多重大疾病的病理及治療方法的研究也具有十分重要的意義. 更為重要的是, 多肽作為天然的優(yōu)良組裝分子, 具有特殊的生物活性和良好的生物相容性, 能夠賦予材料獨(dú)特的生物學(xué)功能. 易于合成和化學(xué)修飾也是多肽分子的突出優(yōu)勢(shì), 通過(guò)20種天然氨基酸的排列組合以及外源性功能基團(tuán)的引入, 可以提供數(shù)以?xún)|計(jì)的多肽組裝分子, 從而形成浩如煙海的結(jié)構(gòu)及功能各異的多肽組裝體. 也是實(shí)現(xiàn)“自下而上”制備納米/亞微米結(jié)構(gòu)的新型生物功能材料的一條重要途徑. 相比于其它自組裝體系, 多肽自組裝在先進(jìn)功能材料制備、 基因治療、 生物礦化、 生物傳感以及組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景, 受到研究人員的廣泛重視[1].
在多肽自組裝研究中, 作為堆砌模塊的多肽分子結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)至關(guān)重要, 是決定多肽自組裝行為及組裝體形貌和功能的重要因素. 兩親性多肽分子結(jié)構(gòu)具有類(lèi)似于表面活性劑的疏水鏈段和親水端基, 在疏水性鏈段間的疏水性作用力和親水性多肽鏈段間的氫鍵協(xié)同驅(qū)動(dòng)下, 多肽分子能夠自組裝形成規(guī)整有序的納米/微米結(jié)構(gòu). 在組裝過(guò)程中, 疏水性鏈段由于憎水而相互聚集, 形成組裝體的疏水性?xún)?nèi)核, 所產(chǎn)生的疏水性作用力是驅(qū)動(dòng)兩親性分子自組裝和維持組裝體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要驅(qū)動(dòng)力; 而肽鏈間的氫鍵則使得相互靠近的親水性多肽鏈段以某種特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)緊密堆砌排列在組裝體表面, 與水接觸, 進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)組裝的完成. 兩親性多肽分子種類(lèi)繁多, 按疏水鏈段的構(gòu)成可以分為疏水鏈段全部由氨基酸殘基構(gòu)成的表面活性肽(Surfactant-like peptide)和疏水鏈為長(zhǎng)烷基碳鏈的兩親性多肽(Peptide amphiphiles, PAs), 而后者又可以按照分子結(jié)構(gòu)的不同分為傳統(tǒng)的兩親性多肽和結(jié)構(gòu)特殊的兩親性多肽, 如Bola型兩親性多肽和Gemini型兩親性多肽等.
1 由氨基酸殘基構(gòu)成疏水鏈段的表面活性肽自組裝
表面活性肽的疏水鏈段一般由多個(gè)連續(xù)的疏水性氨基酸殘基組成, 親水鏈段含有1個(gè)或2個(gè)帶有1或2個(gè)正電荷或負(fù)電荷的氨基酸殘基, 結(jié)構(gòu)和尺寸與天然磷脂非常相似[2]. Zhang等[3~6]設(shè)計(jì)合成了一系列小分子表面活性肽, 如帶有負(fù)電荷的DA6, DV6, D2V6, D2L6[3]和 D[4]2G4~10以及電正性的KA6, H2V6, K2V6和K2L6[5]. 這些小分子表面活性肽在水中可以組裝形成由納米管構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 納米管周?chē)嬖谟屑{米囊泡; 而親水鏈段電荷的正負(fù)變化會(huì)影響納米管的直徑. 組裝機(jī)理研究表明, 組裝體中多肽分子并沒(méi)有按照明確的二級(jí)結(jié)構(gòu)排列, 說(shuō)明此類(lèi)多肽的組裝主要依靠疏水間作用力的驅(qū)動(dòng). 疏水鏈段聚集于組裝體內(nèi)部形成雙分子層, 而親水鏈段發(fā)生電離與水分子形成水化層, 近似于天然磷脂的組裝方式(圖1). 在此基礎(chǔ)上, 對(duì)多肽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化, 發(fā)現(xiàn)以磷酸化的Ser殘基為親水鏈段, A6或V6為疏水鏈段時(shí), 多肽的組裝行為更接近天然磷脂[6]. 而將帶有相反電荷的A6D和A6K共混時(shí), 隨著A6D/A6K混合摩爾比從1∶1增加到2∶1時(shí), 組裝體從納米線轉(zhuǎn)變?yōu)槟そY(jié)構(gòu)[7].
通過(guò)改變氨基酸殘基種類(lèi)和數(shù)目, 可以調(diào)節(jié)多肽分子的幾何構(gòu)型, 從而影響多肽分子的組裝行為和最終組裝體形貌. 如一個(gè)非常短的I3K肽組裝的雙分子層傾向形成卷曲的螺旋帶狀結(jié)構(gòu), 并進(jìn)一步形成直徑只有~10 nm的管狀結(jié)構(gòu)[8]. Xu和Lu等[9]通過(guò)改變AmK多肽中Ala殘基的數(shù)目(m=3,6,9)來(lái)改變多肽分子的幾何構(gòu)型.
由于此類(lèi)表面活性肽的結(jié)構(gòu)與天然磷脂分子非常相似, 因此其組裝形成的雙分子層膜可以模擬天然細(xì)胞膜的功能, 極具應(yīng)用潛力. 如表面活性肽V6D, A6D, A6D和V6K可以極大地提高膜蛋白的活性和穩(wěn)定性[7], 優(yōu)于傳統(tǒng)的表面活性劑N-十二烷基-D-麥芽糖苷和N-辛基-D-葡糖苷[10~12]. 帶有正電荷的表面活性肽還可以作為抗菌藥物使用, 它可以通過(guò)與細(xì)菌細(xì)胞膜磷脂相互作用破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu), 從而殺死細(xì)菌. 如表面活性肽AmK(m=3, 6, 9)通過(guò)滲入和破壞細(xì)菌細(xì)胞膜表現(xiàn)出極高的抗菌活性, 且抗菌活性隨著疏水鏈段的氨基酸殘基Ala數(shù)目增多而增強(qiáng). 其中, A9K對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌都有殺滅作用[13].
2 疏水鏈段為長(zhǎng)烷基鏈的兩親性多肽自組裝
疏水鏈段為脂肪族長(zhǎng)烷基鏈、 親水鏈段為親水性氨基酸殘基構(gòu)成的兩親性多肽分子(PAs)是一類(lèi)最為重要的組裝多肽[14], 最早由Kunitake等[15]提出, 包含由1條或多條長(zhǎng)烷基鏈構(gòu)成的疏水尾部以及由氨基酸殘基構(gòu)成的連接區(qū)、 分隔區(qū)和親水頭部[圖2(A)]. 長(zhǎng)烷基鏈之間的疏水作用力以及多肽鏈段間的氫鍵作用是驅(qū)動(dòng)此類(lèi)多肽分子組裝和維持組裝體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素. Stupp等[16~23]設(shè)計(jì)了一系列重要的PAs分子, 采用一段β-折疊序列作為連接區(qū), 而親水頭部則由帶電的親水性氨基酸殘基和具有生物活性功能的多肽序列構(gòu)成[19]. PAs分子在水溶液中組裝時(shí), 疏水的長(zhǎng)烷基鏈傾向于在組裝體內(nèi)部聚集形成疏水性?xún)?nèi)核, 而氨基酸鏈段則以β-折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu)堆砌排列在組裝體表面形成親水性外殼, 進(jìn)而形成具有納米纖維結(jié)構(gòu)的組裝體. 由于組裝形成的纖維具有類(lèi)似于傳統(tǒng)膠束的結(jié)構(gòu), 因此也稱(chēng)之為纖維狀膠束[圖2(B)][20]. 由于疏水作用力在PAs組裝過(guò)程中發(fā)揮著重要作用, 因此烷基鏈長(zhǎng)度對(duì)其組裝影響較大. 當(dāng)烷基鏈含碳數(shù)超過(guò)10時(shí), 含有C4G3SPRGD多肽序列的PAs分子在酸性溶液中可自組裝形成由納米纖維纏繞而成的水凝膠; 而當(dāng)烷基鏈含碳數(shù)小于10時(shí), 由于烷基鏈間的疏水作用力減弱, PAs分子不能進(jìn)行組裝[17]. 此外, 通過(guò)改變親水多肽鏈段間的氫鍵作用可以調(diào)控組裝體結(jié)構(gòu)和組裝行為. 由于極性氨基酸殘基的帶電狀態(tài)能夠促進(jìn)或破壞多肽鏈段間氫鍵的形成, 因此, 親水多肽鏈段中含有帶電極性氨基酸殘基的PAs分子的組裝多具有pH敏感性[16,17,19]和金屬離子敏感性[20,21], 且不同帶電性的PAs分子對(duì)不同金屬離子的敏感性不同. 僅有負(fù)電性較弱的PA7和正電性的PA8對(duì)高濃度的K+敏感, 能夠形成凝膠; 而絕大多數(shù)的PAs凝膠對(duì)Mn2+, Ca2+, Cu2+, Gd3+等二價(jià)或三價(jià)金屬離子敏感. 在此基礎(chǔ)上, 他們進(jìn)一步利用計(jì)算模擬以及實(shí)驗(yàn)觀察的方法繪制了PAs分子組裝變化的“相圖”, 討論了PAs分子在水中自組裝行為及組裝體結(jié)構(gòu)變化與其分子結(jié)構(gòu)、 分子間作用力、 鹽離子濃度及溶液pH值之間的關(guān)系[18,22]. 近年來(lái), Stupp等[23]將2種帶有相反電荷的PAs分子在水溶液中混合, 利用兩者間的靜電吸引作用組裝形成納米纖維結(jié)構(gòu), 因此這種組裝方法有望實(shí)現(xiàn)PAs在生理?xiàng)l件下的自組裝.
利用上述PAs多肽分子獨(dú)特的自組裝性質(zhì), 通過(guò)在分子結(jié)構(gòu)中引入特殊的功能基團(tuán)和具有特定生物活性的功能多肽序列, 從而使PAs的自組裝行為、 組裝體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變, 賦予PAs組裝材料更多的應(yīng)用價(jià)值. Stupp等[24] 將4個(gè)連續(xù)的Cys殘基引入到C16-C4G3SPRGD多肽分子結(jié)構(gòu)中, 在酸性條件下組裝形成纖維后, Cys殘基含有的巰基在I2的作用下發(fā)生氧化交聯(lián). 這種在組裝體內(nèi)部引入化學(xué)交聯(lián)的方法有效提高了纖維的強(qiáng)度, 交聯(lián)后的纖維在堿性溶液中仍能穩(wěn)定存在, 而未化學(xué)交聯(lián)的纖維在堿性溶液中迅速分解. 由化學(xué)交聯(lián)的纖維形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠模擬細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu), 通過(guò)磷酸化的Ser殘基對(duì)Ca2+的吸附產(chǎn)生生物礦化功能, 形成的礦化物非常接近天然羥基磷灰石結(jié)構(gòu)成分. 富含組氨酸殘基序列的多肽分子C16-A4G3H3組裝形成的納米纖維上具有能夠與Fe2+和Fe3+離子結(jié)合的活性位點(diǎn), 以此為模板可以礦化形成磁性納米材料[25]. 將光敏性的鄰硝基苯化合物引入C16-GV3A3E3多肽分子的側(cè)鏈上, 由于鄰硝基苯側(cè)鏈基團(tuán)的空間位阻使得PAs分子能夠組裝形成螺旋狀纖維結(jié)構(gòu), 并相互纏繞形成更高級(jí)的二重、 三重和四重螺旋結(jié)構(gòu). 在紫外光照射后, 側(cè)鏈鄰硝基苯基團(tuán)發(fā)生光解, 螺旋狀纖維結(jié)構(gòu)隨之轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ膯喂杉{米纖維[圖3(A, B)][26]. 將鄰硝基苯基化學(xué)連接到C16-GV2E2RGDS分子上進(jìn)一步制備出光控觸發(fā)的水凝膠材料. 帶有鄰硝基苯的PAs分子在水中可以組裝成球形納米結(jié)構(gòu), 當(dāng)紫外光照射后, 光解脫落鄰硝基苯基團(tuán)的PAs分子組裝成具有β-折疊結(jié)構(gòu)的納米纖維, 進(jìn)而相互纏繞形成水凝膠. 由于PAs分子含有細(xì)胞黏附功能肽段RGDS, 光照后形成的水凝膠能夠有效促進(jìn)NIH3T3細(xì)胞膜骨架蛋白的mRNA表達(dá)[圖3(C, D)][27]. 其它含有RGD功能序列的PAs分子組裝形成的水凝膠也同樣可以作為優(yōu)良的細(xì)胞培養(yǎng)支架材料[20,28,29], 并可用于制備體內(nèi)注射成型水凝膠材料, 與纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子混合后用于組織修復(fù)[30]. 含有促神經(jīng)突生長(zhǎng)的Leu-Lys-Val-Ala-Val功能序列的PAs分子可以在細(xì)胞培養(yǎng)液中在Ca2+觸發(fā)下組裝形成具有納米纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠, 利用該水凝膠培養(yǎng)和誘導(dǎo)神經(jīng)元干細(xì)胞進(jìn)行選擇性分化[圖3(E1~E3)][31]. 此外, Hartgerink等[32]將對(duì)細(xì)胞基質(zhì)金屬蛋白酶敏感的多肽序列GTAGLIGQ引入到PAs結(jié)構(gòu)中, 組裝形成的水凝膠具有酶敏感性, 能夠在細(xì)胞分泌的Ⅳ型膠原酶的作用下發(fā)生降解, 對(duì)于人體內(nèi)的應(yīng)用具有較大潛力. 組裝方法的改變同樣可以對(duì)PAs的組裝進(jìn)行調(diào)控, 并極大地拓展了其生物學(xué)應(yīng)用. 將多肽C16-V3A3E3黏溶液拉成長(zhǎng)絲狀鋪在表面涂有熱CaCl2溶液的平板上, 并在80 ℃下保溫30 min后發(fā)現(xiàn), 形成的條狀凝膠內(nèi)部納米纖維呈高度有序的定向排列狀態(tài), 不同于C16-V3A3E3在水溶液中形成無(wú)規(guī)纏繞的纖維. 推測(cè)在高溫下薄層中的Ca2+對(duì)表面帶有負(fù)電荷的纖維產(chǎn)生了靜電作用, 誘導(dǎo)纖維呈定向有序排列. 進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn), 細(xì)胞可以在定向排列的纖維束上很好地黏附生長(zhǎng), 這可能是因?yàn)槎ㄏ蚺帕械睦w維束形成的環(huán)境與體內(nèi)的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境相似, 更適于細(xì)胞生長(zhǎng)[33].
除了上述包含不同功能鏈段的PAs分子外, 直接將長(zhǎng)烷基鏈與某一多肽鏈段相連制備的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的PAs分子也具有組裝能力, 并能夠形成更豐富的組裝體形貌. Stupp等[34]將C16烷基鏈與短肽VEVE相連接制備了一種新型的PAs分子(C16H31OVEVE), 由于疏水性氨基酸殘基Val與親水性氨基酸殘基Glu交替排列, C16H31OVEVE極易形成疏水性Val殘基和親水性Glu殘基分別排列在折疊面兩側(cè)β-折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu)中. 在水溶液中, 由Val 殘基形成的疏水面為了避免與水接觸而相互聚集, 使C16H31OVEVE分子形成了獨(dú)特的二聚體結(jié)構(gòu), 從而組裝形成寬度達(dá)150 nm的巨型納米帶狀結(jié)構(gòu)(Giant nanobelts). 當(dāng)增大溶液pH值時(shí), 電離的E殘基間的電荷排斥作用使組裝體產(chǎn)生規(guī)則的縫隙, 從而形成帶有溝槽的納米帶(Grooved nanobelt). 巨型納米帶狀結(jié)構(gòu)的形成同時(shí)依賴(lài)于多肽分子溶液的濃度, 在低濃度(0.01%, 質(zhì)量分?jǐn)?shù))下首先組裝形成狹窄、 扭曲的納米帶(Narrower and twisted nanoribbons); 隨著溶液濃度的升高(0.05%), 多條扭曲的納米帶聚集形成更大的帶狀結(jié)構(gòu), 并能觀測(cè)到二者共存的類(lèi)似掃帚狀的中間態(tài)結(jié)構(gòu)(Broom morphology); 當(dāng)溶液濃度達(dá)到0.1%時(shí), 巨型納米帶狀結(jié)構(gòu)形成. 而將C16H31OVEVE的分子結(jié)構(gòu)更改為C16H31OVVEE時(shí), 無(wú)法形成Val殘基疏水面相互作用的二聚結(jié)構(gòu), 納米帶狀結(jié)構(gòu)隨之消失, 又重新組裝形成納米纖維結(jié)構(gòu). Rosi等[35]將一段具有高度金和銀表面親和性的多肽功能鏈段AYSSGAPPMPPE與C12直接鍵聯(lián)在一起形成C12-PEPAU兩親肽, 在有HAuCl4存在的羥乙基哌嗪乙硫磺酸(HEPES)緩沖液中, 能夠組裝礦化形成高度規(guī)整的左手雙螺旋多肽-金納米顆粒雜化結(jié)構(gòu)(圖4).
Wang等[36]將C12烷基鏈與β-淀粉樣纖維肽的一段功能序列EVHHQKL[Aβ(11~17)]相連制備出C12-Aβ(11~17)兩親肽. 在低pH值溶液中, C12-Aβ(11~17)能夠組裝成長(zhǎng)度不等、 直徑約為5 nm的棒狀纖維; 隨著pH值的升高, 這些短棒狀纖維又能進(jìn)一步相互排列形成長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu). 而溶液pH=10時(shí), 組裝體則轉(zhuǎn)變?yōu)榕で膸罱Y(jié)構(gòu), 推測(cè)不同pH值溶液中分子間作用力的變化是導(dǎo)致組裝體形貌發(fā)生改變的主要原因. Core等[37]系統(tǒng)地研究了烷基鏈的長(zhǎng)度、 數(shù)目以及溫度對(duì)含有膠原蛋白片段肽GVKGDKGNP GWPGAP(IVH1)的PAs分子組裝行為的影響. 發(fā)現(xiàn)含有單條烷基鏈或2條C12~14烷基鏈的PAs分子能夠組裝形成球形膠束; 而含有2條C16~18烷基鏈的PAs分子則能組裝形成盤(pán)狀膠束, 并且這些盤(pán)狀膠束在室溫下能進(jìn)一步相互堆積形成更大的棒狀結(jié)構(gòu). 但通過(guò)升溫-冷卻處理后, 棒狀結(jié)構(gòu)則全部轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐文z束. 此外, 將烷基鏈與某些功能肽直接相連, 利用其獨(dú)特的組裝性能能夠有效地提高原功能肽的作用效果. 如將具有殺菌作用的功能肽KLFKRHLKWKII(SC4)與C12或C18相連制備的新型抗菌PAs分子, 對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的殺滅效果比原SC4肽提高了30倍, 甚至對(duì)傳統(tǒng)抗菌藥物無(wú)效的金黃色葡萄球菌也有很好的殺滅作用[38].
除了上述化學(xué)鍵聯(lián)外, 通過(guò)靜電作用及主客體相互作用等非共價(jià)鍵作用力也能制備復(fù)合型PAs分子組裝模塊. Kros等[39]利用環(huán)糊精與金剛烷的主客體相互作用, 將含有金剛烷端基的多肽分子修飾在環(huán)糊精囊泡表面. 當(dāng)溶液pH=5.0時(shí), 囊泡表面的多肽鏈可以通過(guò)氫鍵作用形成β-折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu); 而當(dāng)溶液pH=7.4時(shí), 組裝體結(jié)構(gòu)可以從球形囊泡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫�性纖維, 并且囊泡中包裹的藥物分子也隨之釋放. Scherman等[40]利用主客體相互作用將芘肽、 紫脂以及葫蘆脲相連接, 制備了新型三元復(fù)合分子(芘肽/葫蘆脲/紫脂), 此三元復(fù)合分子能夠自組裝形成囊泡結(jié)構(gòu). 當(dāng)體系中存在新的客體分子2,6-二羥基萘?xí)r, 它與紫脂間更強(qiáng)的作用會(huì)使芘肽游離出來(lái), 并形成新的三元復(fù)合分子(2,6-二羥基萘/葫蘆脲/紫脂), 組裝體結(jié)構(gòu)也隨之由囊泡轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米粒子. 當(dāng)客體分子變?yōu)榻饎偼闀r(shí), 則會(huì)與葫蘆脲分子相互作用, 三元復(fù)合分子解體, 組裝體也隨著消失. 更為特殊的是, 由于芘肽分子所處微觀環(huán)境的不斷變化, 此過(guò)程同時(shí)伴有熒光的猝滅和恢復(fù). 這種具有熒光開(kāi)關(guān)功能的新型納米材料在生物成像和藥物傳遞等領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用潛力.
近年來(lái), 一些新的關(guān)于PAs自組裝研究被相繼報(bào)道, Das等[41]設(shè)計(jì)合成了一種含有賴(lài)氨酸殘基的新型PAs分子, 其在水溶液以及水和有機(jī)溶劑的混合溶液中能夠組裝形成具有螺旋納米纖維結(jié)構(gòu)的凝膠體系; 所形成的螺旋納米纖維能夠作為模板原位合成結(jié)構(gòu)均一的介孔硅單壁碳納米管. 而將具有原卟啉[(PPIX)Zn]絡(luò)合能力的組氨酸殘基引入到C16-AHL3K3多肽分子中, 通過(guò)C16-AHL3K3組裝形成的纖維陣列結(jié)構(gòu)可以調(diào)控金屬卟啉的有序排列, 從而制備出具有特殊光物理性能的新型納米材料[42]. Danino等[43]設(shè)計(jì)合成了另一種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于2個(gè)PAs分子首尾相連而成C12-β12多肽分子, 此類(lèi)分子在組裝時(shí)能夠發(fā)生鏈段的分子內(nèi)折疊從而形成不同的組裝體結(jié)構(gòu).
研究發(fā)現(xiàn), 在低溫條件下, C12-β12首先組裝形成纖細(xì)的纖維, 隨著培育時(shí)間的延長(zhǎng), 纖維進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榕で膸罱Y(jié)構(gòu), 并進(jìn)一步卷曲成納米管狀結(jié)構(gòu). 升溫至45 ℃后, C12-β12分子內(nèi)折疊方式發(fā)生變化, 組裝體隨之轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钅z束.
Stupp等[44]則發(fā)展了一種操控PAs多肽組裝的方法, 他們將多肽溶液與帶有相反電荷的聚合物溶液相混合, 利用電荷的相互作用使多肽在2種液體界面進(jìn)行組裝, 通過(guò)調(diào)節(jié)外加電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向來(lái)改變HA分子在多肽溶液中的滲透速度和方向, 從而改變膜結(jié)構(gòu)中的纖維束排列方向, 并使膜厚度及硬度等物理特性發(fā)生改變. Spoerke等[45]系統(tǒng)地研究了電荷作用對(duì)PAs分子自組裝的影響, 發(fā)現(xiàn)分枝端基帶有的不同電荷可以使PAs呈伸展或坍陷的分子構(gòu)型, 從而形成膠束、 纖維和雙層膜等不同的組裝結(jié)構(gòu).
近年來(lái)我們?cè)赑As多肽自組裝研究方面也進(jìn)行了一系列相關(guān)的工作. 研究了疏水鏈結(jié)構(gòu)的變化對(duì)PAs多肽組裝的影響, 發(fā)現(xiàn)無(wú)論是烷基鏈還是芳香族基團(tuán)與RGD親水短肽構(gòu)成的PAs分子都能夠組裝形成納米纖維和膠束, 且由于疏水鏈段結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致其組裝體形貌在不同pH值溶液中的變化也不同[46]. 而烷基鏈的長(zhǎng)度變化同樣也可以顯著地影響到PAs分子的組裝特性和組裝體形貌, 隨著溶液pH值變化, 較長(zhǎng)的烷基鏈(C16~C18)相互作用形成更強(qiáng)的疏水作用可以保護(hù)組裝體結(jié)構(gòu)免受靜電排斥作用的影響, 從而使得所形成的納米纖維無(wú)論在酸性、 中性還是堿性環(huán)境中都能穩(wěn)定存在; 而較短的烷基鏈(C12~C14)由于其疏水作用較弱, 相應(yīng)的PAs在酸性溶液中組裝形成的納米纖維隨著環(huán)境pH值的升高則全部轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米膠束結(jié)構(gòu)[47]. 進(jìn)一步將親水性的環(huán)肽與醋酸、 硬脂酸和萘環(huán)相連接獲得兩親性多肽CPs1~3, 研究發(fā)現(xiàn)CP1通過(guò)分子間鹽橋和氫鍵作用能夠組裝形成紡錘狀納米結(jié)構(gòu); CP2可以通過(guò)烷基鏈間的疏水作用和肽鏈間的氫鍵能夠組裝形成納米管; 而CP3則通過(guò)芳香環(huán)間的π-π相互作用和肽鏈間的氫鍵能夠組裝形成納米球結(jié)構(gòu)(圖5)[48].
另外, 含有2條疏水鏈的U型PAs能夠在不同pH值溶液中發(fā)生Z型和線型構(gòu)象的轉(zhuǎn)變, 從而引起組裝體結(jié)構(gòu)的變化[49]. 我們[50~52]將跨膜肽R8和核定位信號(hào)肽PKKKRKV與C18烷基鏈相連制備的PAs分子, 其可以與藥物分子或治療基因共組裝形成穩(wěn)定的納米球狀結(jié)構(gòu), 能夠有效提高藥物傳遞和基因轉(zhuǎn)染效率[圖6(A)]. 而將疏水性藥物分子阿霉素(DOX)共價(jià)連接到Ac-GRGDSR8多肽鏈段上, 形成前藥類(lèi)PAs分子. 此類(lèi)PAs分子能夠組裝形成將DOX包裹其中的納米顆粒, 依賴(lài)功能肽R8的穿膜作用和RGD的靶向作用, 實(shí)現(xiàn)了抗癌藥物的高效和選擇性傳遞[圖6(B)][53].
3 具有特殊分子結(jié)構(gòu)的兩親性多肽自組裝
近年來(lái), 一些具有特殊結(jié)構(gòu)的兩親性多肽分子由于其獨(dú)特的組裝性能日益受到研究者的關(guān)注, 其中有代表性的是Bola型兩親性多肽和Gemini型兩親性多肽.
3.1 Bola型兩親性多肽自組裝
Bola型兩親性多肽分子結(jié)構(gòu)呈啞鈴形, 是將2個(gè)親水性多肽鏈段用一條或多條疏水鏈段連接起來(lái)的兩端親水、 中間疏水的特殊結(jié)構(gòu), 由于酷似南美土著人的一種武器Bola(2小球分別系于一根細(xì)繩兩端)而得名. Bola型兩親肽由于其本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有著較為獨(dú)特的組裝行為, 其中管狀結(jié)構(gòu)是Bola型兩親肽中的常見(jiàn)組裝結(jié)構(gòu). Matsui等[54]設(shè)計(jì)合成了一種Bola型兩親肽GG-C7-GG, 其在堿性溶液(pH=8)中能夠組裝形成寬約2 μm、 長(zhǎng)約10~40 μm的螺旋帶狀結(jié)構(gòu); 而降低溶液pH值到5時(shí), 則能夠組裝形成平均直徑為500 nm的中空納米管[圖7(A)]. 組裝機(jī)理研究表明, 在不同pH值下, GG-C7-GG分子間氫鍵強(qiáng)度的變化是決定組裝體形貌的主要因素[圖7(B)].
當(dāng)向組裝體系加入一定濃度的Ni2+離子后, 能夠在Bola肽納米管間形成金屬離子橋(Ni ion bridge)和管間氫鍵作用, 從而使分散無(wú)序的Bola肽納米管重新定向排列形成規(guī)整的納米管束. 其中納米管束的形成受金屬離子種類(lèi)、 濃度、 加入時(shí)間以及是否存在乙二胺四乙酸(EDTA)絡(luò)合劑的影響[55]. 隨后他們又對(duì)Bola肽納米管的管徑進(jìn)行了調(diào)控, 利用多孔碳酸酯為模板制備管徑均一的多肽納米管[56]. 此外, 我們[57]也合成了一種Bola型兩親性多肽分子, 烷基鏈兩端分別連接了D/L構(gòu)型相間的環(huán)肽, 該肽能夠在水溶液中自組裝形成單壁的納米管. Bola肽納米管具有易修飾及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn), 具有廣泛的應(yīng)用前景. 通過(guò)向Bola肽納米管上引入富含His殘基的功能性短肽分子, 利用His殘基對(duì)金屬離子的絡(luò)合作用誘導(dǎo)金屬離子(Au, Cu, Ag, Ni等)在納米管壁上結(jié)晶生長(zhǎng)[58~60]. 將光敏性的偶氮苯基團(tuán)引入到Bola肽納米管上, 利用偶氮苯與α-環(huán)糊精的主客體相互作用, 實(shí)現(xiàn)了肽納米管在修飾有α-環(huán)糊精的硅表面的光控吸附和解離[61]. 利用生物抗原-抗體相互識(shí)別和作用, 修飾有抗體的Bola肽納米管能夠在具有抗原陣列的金表面進(jìn)行有序的吸附和排列[62]. 利用原卟啉Ⅸ Zn(Ⅱ)與Bola肽納米管間的氫鍵作用, 可將原卟啉Ⅸ Zn(Ⅱ)包裹于肽納米管上形成金屬卟啉納米管, 有望用于納米化學(xué)傳感器和光電材料的制備[63]. 此外, Bola肽納米管還可應(yīng)用于免疫傳感器中, 用于檢測(cè)單純皰疹病毒等病原體[64].
除管狀結(jié)構(gòu)外, Stupp等[65]報(bào)道了另一種不對(duì)稱(chēng)的Bola兩親肽分子, 其疏水鏈兩端分別連接了多肽鏈段和低聚乙二醇. 在水溶液中組裝時(shí), 疏水鏈段深埋于單分子層內(nèi)部, 形成同時(shí)具有親水性?xún)?nèi)核和親水性表面的雙親性的特殊纖維結(jié)構(gòu). Kogiso等[66]設(shè)計(jì)合成了一系列Bola兩親肽VV-(CH2)n-VV, 并系統(tǒng)研究了中間疏水鏈長(zhǎng)度對(duì)其組裝行為的影響. 發(fā)現(xiàn)當(dāng)n=4或6時(shí), 可以在水溶液中組裝形成類(lèi)似結(jié)晶固體物的沉淀; 而n=7~12時(shí), 可以在水溶液中以β-折疊形式組裝形成納米纖維結(jié)構(gòu). 此類(lèi)Bola肽纖維具有與Ni2+, Zn2+, Cu2+, Co2+等二價(jià)金屬離子絡(luò)合的能力, 能夠進(jìn)一步組裝形成結(jié)晶固體沉淀物, 具有納米纖維結(jié)構(gòu)膠體分散物以及水凝膠等[67].
3.2 Gemini型兩親性多肽自組裝
Gemini型兩親性多肽分子的設(shè)計(jì)靈感源于Gemini型表面活性劑. Gemini型表面活性劑是一種新型的表面活性劑, 是由2個(gè)單鏈表面活性劑分子通過(guò)靠近頭部的聯(lián)結(jié)基團(tuán)化學(xué)鍵合而成的. 從結(jié)構(gòu)上看, 類(lèi)似于2個(gè)單鏈分子的二聚體, 所以稱(chēng)作雙子(Gemini)表面活性劑. 一般表面活性劑在水中組裝形成聚集體時(shí), 受2種相反作用力的影響: 一種是疏水鏈段之間的疏水相互作用, 驅(qū)動(dòng)表面活性劑分子緊密排列; 另一種是親水頭部同種電荷的靜電斥力, 使得表面活性劑分子間距增大, 破壞組裝. 而Gemini型表面活性劑的化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)構(gòu)有效地消除了親水頭基間靜電排斥作用, 使得疏水鏈段更加緊密地排列, 增強(qiáng)了分子間的疏水相互作用, 這是Gemini型表面活性劑比傳統(tǒng)單鏈表面活性劑具有更高表面活性的根本原因. 更為重要的是, Gemini的獨(dú)特結(jié)構(gòu)為自組裝過(guò)程提供了更加豐富的結(jié)構(gòu)調(diào)控因素, 從而產(chǎn)生了復(fù)雜而新穎的組裝特性[68~71]. Luis等[72,73]報(bào)道了一系列Gemini型兩親肽, 發(fā)現(xiàn)在分子結(jié)構(gòu)、 溶劑極性以及溶液pH等因素的調(diào)控下, 其能夠組裝形成極為豐富的組裝體形貌. Wang等[74]將2條烷基鏈C12與β-淀粉樣多肽(Amyloid-β peptide Aβ)功能片段的不同部位相連制備了2種不同的Gemini型兩親肽2C12-Lys-Aβ(12~17)和C12-Aβ(11~17)-C12. 研究發(fā)現(xiàn)2C12-Lys-Aβ(12~17)在不同pH范圍內(nèi)都能組裝形成穩(wěn)定的納米纖維結(jié)構(gòu); 而C12-Aβ(11~17)-C12在較低pH值溶液中可以組裝形成短的扭曲帶狀結(jié)構(gòu), 隨著pH值的升高, 轉(zhuǎn)變?yōu)楸∑瑺罱Y(jié)構(gòu)[圖8(A)], 為通過(guò)分子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單變化實(shí)現(xiàn)組裝體形貌的調(diào)控提供了一種新的途徑. 此外, 帶有正電性氨基酸殘基的陽(yáng)離子Gemini型兩親肽由于具有臨界膠束濃度(cmc)低、 對(duì)電解質(zhì)不敏感等優(yōu)點(diǎn), 能夠與DNA復(fù)合組裝形成粒徑更小、 結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的納米球狀結(jié)構(gòu), 有望成為一種新型的體內(nèi)注射基因載體材料[圖8(B, C)][75,76].
近年來(lái), 我們[77]設(shè)計(jì)合成了一系列具有不同長(zhǎng)度烷基鏈的GAPs分子, 利用其進(jìn)行自組裝制備出分枝狀纖維結(jié)構(gòu). 在具有良好平衡的分子間疏水作用和氫鍵協(xié)同驅(qū)動(dòng)下, (C10-C-O3)2和(C12-C-O3)2分子能夠組裝形成長(zhǎng)的分枝狀纖維; 而疏水作用和氫鍵協(xié)同作用平衡的破壞, 導(dǎo)致(C14-C-O3)2和(C16-C-O3)2分子組裝形成不具有任何分枝結(jié)構(gòu)的短纖維.
通過(guò)仿生設(shè)計(jì)了另一類(lèi)尾部烷基鏈含有不同數(shù)目雙鍵的GAPs分子, 利用這些簡(jiǎn)單的多肽分子, 制備出形貌和尺寸不同的囊泡結(jié)構(gòu), 其中包括由納米囊泡逐級(jí)融合形成的微米級(jí)細(xì)胞狀的巨型囊泡. 機(jī)理研究發(fā)現(xiàn), 囊泡形貌和尺寸的變化可能是與順式雙鍵引起的GAPs分子在囊泡雙分子層膜中的排列緊密程度的變化有關(guān)[78]. GAPs分子對(duì)相應(yīng)的同源性單鏈PAs分子的自組裝具有很好的調(diào)控作用, 能夠使組裝體有纖細(xì)的長(zhǎng)纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榫坏摹?結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的短棒狀纖維. 短棒狀纖維在由GAPs特殊雙鏈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的纖維間疏水作用的驅(qū)動(dòng)下, 進(jìn)一步自發(fā)地重新定向排列, 并逐漸延長(zhǎng)長(zhǎng)度, 最終由延伸方向不同的平行排列的纖維相互交織進(jìn)而形成了復(fù)雜的、 高度有序的“編織型”纖維陣列. 同時(shí), 此類(lèi)多肽還具有出色的界面組裝能力, 在不同親疏水性界面上可以方便迅速地形成具有空間立體結(jié)構(gòu)的多肽納米陣列[79].
4 展 望
近些年多肽自組裝研究及其在納米科技、 生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大關(guān)注并取得了顯著的進(jìn)展, 通過(guò)在諸多領(lǐng)域的交叉滲透, 在新材料制備方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力. 其中, 新型的兩親性多肽組裝分子的設(shè)計(jì)和制備、 操控多肽組裝新方法的建立、 具有特殊性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的組裝體的構(gòu)建、 多肽組裝機(jī)理的深入揭示以及以組裝體為構(gòu)筑基元的高層次組裝等研究必將成為兩親性多肽自組裝研究領(lǐng)域新的熱點(diǎn)和發(fā)展方向, 可以預(yù)期, 隨著多肽自組裝技術(shù)和基礎(chǔ)理論研究的不斷發(fā)展, 多肽自組裝必將極大地推動(dòng)生命科學(xué)、 生物醫(yī)學(xué)以及材料學(xué)的長(zhǎng)足進(jìn)步.
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